(57)【要約】【課題】フォトダイオード面積を広く取っても完全電荷転送をより容易に行う。【解決手段】Ｎ型半導体基板２上に形成されたＰ型ウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上に形成された３つのＮ型領域で構成されたフォトダイオード部４と、このフォトダイオード部４のＮ型領域近傍位置に形成されたＮ型ドレイン領域７と、Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部４との間に形成されたＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部に設けられた転送ゲート９とを有しており、この３つのＮ型領域は、転送ゲート９に最も近傍の第１一導電型領域としての電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１と、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１の転送ゲート９側を除く外側を覆うＮ−領域４２と、Ｎ−領域４２の転送ゲート９側を除く外側を覆うＮ−−領域４３の３段階の不純物濃度領域で構成され、転送ゲート９から離れたＮ型領域ほどＮ型不純物濃度を小さく設定している。【選択図】図１
2010219355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型半導体基板上に形成された他導電型ウェル領域と、該他導電型ウェル領域上に形成され、完全電荷転送用に不純物濃度が順次異なる複数の一導電型領域で構成されたフォトダイオード部と、該フォトダイオード部からの信号電荷が読み出し可能とされる一導電型ドレイン領域と、該一導電型ドレイン領域と該フォトダイオード部との基板間上に形成された転送ゲートとを有する固体撮像素子。
【請求項２】
前記フォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域は、前記転送ゲートに最も近傍の第１一導電型領域と、該第１一導電型領域の該転送ゲート側を除く外側を覆う第２一導電型領域、・・第（ｎ−１）一導電型領域の該転送ゲート側を除く外側を覆う第ｎ一導電型領域のｎ（ｎは２以上の自然数）段階の不純物濃度領域で構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートから離れた一導電型領域ほど一導電型不純物濃度が段階的に順次低くなっている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートに近い一導電型領域ほど一導電型不純物濃度が段階的に順次高くなっている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記フォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域において、前記転送ゲート下の電荷転送経路側に向けて段階的または連続的にポテンシャル傾斜が付いている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板面方向外側を覆っている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板深さ方向外側を覆っている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板面方向外側および基板深さ方向外側を覆っている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記フォトダイオード部を第１一導電型領域および第２一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記フォトダイオード部を第１一導電型領域および第２一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−はＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３に設定されている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記フォトダイオード部を第１一導電型領域、第２一導電型領域および第３一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−はＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、該第３一導電型領域の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記フォトダイオード部を第１一導電型領域、第２一導電型領域、第３一導電型領域および第４一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ１−はＮ１−＝５×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、該第３一導電型領域の不純物濃度Ｎ２−はＮ２−＝５×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−３、該第４一導電型領域Ｎ−−の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記フォトダイオード部のサイズは、３×３μｍ〜１０×１０μｍである請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記転送ゲートから最も離れたフォトダイオード部の一導電型領域の不純物濃度は、前記一導電型半導体基板の不純物濃度と同等である請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記フォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域を形成するために２種類以上の不純物イオンが用いられている請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記フォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートに近い方の領域に砒素および燐が前記不純物イオンとして注入され、該転送ゲートに遠い方の領域に燐のみが該不純物イオンとして注入されている請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記フォトダイオード部上に、該フォトダイオード部を埋め込むように形成されたＰ型高濃度表面層を更に有する請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記一導電型ドレイン領域と前記フォトダイオード部との間に他導電型バリア層が形成され、該他導電型バリア層の上部に前記転送ゲートが形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＭＯＳ型固体撮像素子などの固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来のＭＯＳ型固体撮像素子は、単一電源駆動、低消費電力を行うことができて非常にＣＣＤ型固体撮像素子と比べて経済的に利点のある素子である。しかしながら、このＭＯＳ型固体撮像素子は、電源電圧が低いが故に転送ゲート下の電位変調が小さく、これによって、入射光を光電変換して信号電荷を生成する受光部のフォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤへの信号電荷の完全電荷転送が困難になるという問題を有していた。
【０００３】
この問題を解決するために、特許文献１では、転送ゲート下にチャネル構成層を設けることにより、電位変調度の制御性を向上させて完全電荷転送を実現させることが提案されている。
【０００４】
図１２は、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【０００５】
図１２において、従来の固体撮像素子１００では、シリコン基板１０１上に、例えばｐ型不純物を拡散したウェル領域１０２が形成されている。このウェル領域１０２の不純物濃度は数Ｅ１５（Ｅ１５は１０の１５乗）程度の低濃度である。このウェル領域１０２内にフォトダイオード１０３としてｎ型不純物を注入してｎ型領域１０３ａが形成されている。このｎ型領域１０３ａ上に表面保護のための表面ｐ＋層１０３ｂが形成されている。これらのｎ型領域１０３ａおよび表面ｐ＋層１０３ｂによりフォトダイオード１０３が構成されている。
【０００６】
フォトダイオード１０３は、面方向に所定距離のウェル領域１０２を介して、ｎ型不純物注入による検出ノード部１０４が形成されており、この検出ノード部１０４とｎ型領域１０３ａとの間における基板上には、信号蓄積・読み出し用の読み出しトランジスタを構成する転送ゲート１０５が形成されている。この転送ゲート１０５は、ｎ型領域１０３ａと検出ノード１０４との間に跨る配置構成であるため、検出ノード１０４をドレイン領域とし、ｎ型領域１０３ａをソース領域とするＭＯＳ型トランジスタを構成することになり、ｎ型領域１０３ａに発生した信号電荷Ｘをゲート電極１０５の電圧制御によってドレイン領域側である検出ノード１０４側に流すことができ、この検出ノード１０４に例えば増幅トランジスタのゲートを接続した場合には、転送ゲート１０５の制御により、フォトダイオード１０３からの信号電荷Ｘを検出電圧として増幅トランジスタのゲートに与えることができる。
【０００７】
また、フォトダイオード１０３から転送ゲート１０５下を介した検出ノード１０４に至る素子領域を単位画素領域として囲んだ基板には素子分離用のチャネルストップ領域１０６が形成されている。また、転送ゲート１０５下のチャネル領域と検出ノード１０４の上面領域とに、検出ノード１０４および転送ゲート１０５のしきい値を設定するためのチャネルインプラント（ｎ型貫通チャネル層１０７）が形成されている。
【０００８】
ここでは、素子分離領域をチャネルストップ領域１０６（高濃度ｐ型層）としているが、この素子分離領域は厚い酸化膜であるＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）領域で分離されていてもよい。図１２では、チャネルストップ領域１０６を高濃度ｐ型層で表されている。
【０００９】
ｎ型領域１０３ａの不純物濃度は、ウェル領域１０２の不純物濃度と表面ｐ＋層１０３ｂの不純物濃度の中間のレベルにある。また、ｎ型領域１０３ａには、フォトダイオード１０３で発生した信号電荷を蓄積する必要があるので、正の電位に設定する必要がある。しかし、このようにすると、必ず空乏層がｎ型領域１０３ａの表面（上面）に伸びることになるが、空乏層がｎ型領域１０３ａの表面（上面）に達するとリーク電流が増加し、暗時むらの増加を招くので、ｎ型領域１０３ａの表面（上面）に形成した表面ｐ＋層１０３ｂの不純物濃度は、もっとも高く設計する必要が生じる。
【００１０】
このような表面ｐ＋層１０３ｂの構造では、ｎ型領域１０３ａを完全空乏化して形成することになるので、ｎ型領域１０３ａに受光量に対応して光電変換されて生じた信号電荷Ｘは、リークされることなく基板内部に蓄積される。
【００１１】
この高濃度の表面ｐ＋層１０３ｂは、半導体製造工程におけるイオン注入後の熱処理により、必ず転送ゲート１０５下まで伸びてくるので、一度、このような状態になると高濃度のｐ領域によって、転送ゲート１０５下のチャネル層をオン（導通状態）させるために転送ゲート１０５に所定電圧を印加しても、転送ゲート１０５下の電位を、高い電位にすることができなくなる。このため、フォトダイオード１０３から信号電荷Ｘを容易に読み出すことができなくなってしまう。
【００１２】
さらに、低濃度のｐウェル領域１０２によって、転送ゲート１０５のチャネル長Ｌが短くなると、ソース領域に相当するｎ型領域１０３ａと、ドレイン領域に相当する検出ノード１０４から空乏層が延びて、パンチスルーを起こしてしまう。
【００１３】
転送ゲート１０５でパンチスルーが発生すると、ドレイン領域（検出ノード１０４）の電位がチャネル電位を変調する現象である“チャネル長変調効果（ドレイン変調効果）が発生するので、信号光量と出力電荷特性のリニアリティを悪化させるなどの問題が発生する。
【００１４】
そこで、シリコン基板１０１上に形成されたｐ型ウェル領域１０２と、ｎ型領域１０３ａおよび高濃度の表面ｐ＋層１０３ｂからなるフォトダイオード１０３と、フォトダイオード１０３に近接した転送ゲート１０５と、この転送ゲート１０５の他方側に近接した検出ノード１０４とを備えた従来の固体撮像素子１００の単位セル（単位画素部）において、転送ゲート１０５下の基板内部に、ｐ型ウェル領域１０２よりも高濃度のｐ型バリア層１０８を形成し、さらに、ｎ型領域１０３ａと、このｎ型領域１０３ａに隣接した転送ゲート１０５下に形成されるｎ型貫通チャネル層１０７を有する構造としている。
【００１５】
即ち、チャネル長変調効果（ドレイン変調効果）や、パンチスルーなどを起こさないようにするために、ここでは、転送ゲート１０５下にｐ型ウェル領域１０２と同型でｐ型ウェル領域１０２よりも高濃度のｐ型バリア層１０８を設けると共に、このｐ型バリア層１０８は、ｎ型領域１０３ａと検出ノード１０４の両方に繋がるように設けている。これによって、ｎ型領域１０３ａと検出ノード１０４の両方から伸びる空乏層を抑圧できる。また、高濃度のｐ型バリア層１０８の影響により、ｎ型領域１０３ａの信号電荷が読み出せない可能性が発生するので、その対策として、ｐ型バリア層１０８の上部側にチャネル形成層１０９を設けている。このチャネル形成層１０９は、ｐ型バリア層１０８の上部側に位置させるようにし、ｎ型領域１０３ａから転送ゲート１０５下に向けて一部迫り出すように形成している。このチャネル形成層１０９の形成範囲は狭く、ｎ型領域１０３ａにおける転送ゲート１０５の近傍位置と転送ゲート１０５下の一部基板領域を占める程度である。
【００１６】
このように構成することによって、チャネル形成層１０９は、信号読み出し経路１１０の一部を担うようになり、信号読み出し経路１１０を確保することができるようになる。よって、ｎ型領域１０３ａに発生した信号電荷Ｘは、このチャネル形成層１０９からｎ型貫通チャネル層１０７に沿って検出ノード１０４側に読み出される。
【００１７】
図１３は、特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【００１８】
図１３において、従来の固体撮像素子２００は、その単位画素部２００ａとして、ｎ型半導体基板２０１上に形成されたｐ型のウェル領域２０２と、ｎ型不純物領域２０３ａおよびその表面側の高濃度の表面ｐ＋層２０３ｂからなるフォトダイオード２０３と、フォトダイオード２０３に蓄積された信号電荷を電荷転送する転送ゲート２０４と、ｎ型不純物領域から構成された読み出し領域２０５とを備えている。ｎ型不純物領域２０３ａから読み出し領域２０５に跨って、低濃度のｎ型不純物領域２０６を配置し、且つ、転送ゲート２０４の下方位置にｐ型不純物領域２０７を形成している。なお、２０８は素子分離用のＬＯＣＯＳ酸化膜、２０９はゲート酸化膜である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開平１１−２８４１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記従来の固体撮像素子１００および２００に求められる性能として、高感度とワイドダイナミックレンジがある。この感度とは、受光感度のことであり、単位光量当たりどれだけの出力が得られるかを表す指標であり、集光効率と光電変換効率で決まる。また、高感度化のためには、できるだけ広い面積で集光しかつ効率よく光電変換を行える構造が必要である。一方、ダイナミックレンジとは、信号の再現能力を示す数値であり、出力信号の最小値と最大値の比率、つまり、最も明るい部分と暗い部分の比率を表している。ダイナミックレンジが広いほど濃淡のはっきりした鮮明な画像を表示できることになる。ダイナミックレンジは、最大蓄積電子数とノイズレベルで決まるので、このワイドダイナミックレンジを実現するには、フォトダイオード面積を広くとる必要がある。これらの性能を満たすために、ＭＯＳ型固体撮像素子で電源電圧が低いが故に転送ゲート下の電位変調が小さい上に、フォトダイオード面積を広くとると、電荷転送距離が伸びてフォトダイオードの完全空乏化が困難になり、上記従来の固体撮像素子１００および２００であっても、完全電荷転送ができなくなってしまう虞がある。
【００２１】
具体的には、携帯電話用カメラでは、画素サイズが２×２μｍであったものを、車載や玄関などの監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラでは、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを６×６μｍ程度に大きくしてフォトダイオード面積を広くとる必要が生じる。
【００２２】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、フォトダイオード面積を広く取っても完全電荷転送をより容易に行うことができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えば車載用後方監視カメラやテレビジョン電話用カメラなどの電子情報機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の固体撮像素子は、一導電型半導体基板上に形成された他導電型ウェル領域と、該他導電型ウェル領域上に形成され、完全電荷転送用に不純物濃度が順次異なる複数の一導電型領域で構成されたフォトダイオード部と、該フォトダイオード部からの信号電荷が読み出し可能とされる一導電型ドレイン領域と、該一導電型ドレイン領域と該フォトダイオード部との基板間上に形成された転送ゲートとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域は、前記転送ゲートに最も近傍の第１一導電型領域と、該第１一導電型領域の該転送ゲート側を除く外側を覆う第２一導電型領域、・・第（ｎ−１）一導電型領域の該転送ゲート側を除く外側を覆う第ｎ一導電型領域のｎ（ｎは２以上の自然数）段階の不純物濃度領域で構成されている。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートから離れた一導電型領域ほど一導電型不純物濃度が段階的に順次低くなっている。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートに近い一導電型領域ほど一導電型不純物濃度が段階的に順次高くなっている。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域において、前記転送ゲート下の電荷転送経路側に向けて段階的または連続的にポテンシャル傾斜が付いている。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板面方向外側を覆っている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板深さ方向外側を覆っている。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域の基板面方向外側および基板深さ方向外側を覆っている。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を第１一導電型領域および第２一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を第１一導電型領域および第２一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−はＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３に設定されている。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を第１一導電型領域、第２一導電型領域および第３一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ−はＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、該第３一導電型領域の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を第１一導電型領域、第２一導電型領域、第３一導電型領域および第４一導電型領域で構成する場合、該第１一導電型領域の不純物濃度ＮはＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、該第２一導電型領域の不純物濃度Ｎ１−はＮ１−＝５×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、該第３一導電型領域の不純物濃度Ｎ２−はＮ２−＝５×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−３、該第４一導電型領域Ｎ−−の不純物濃度Ｎ−−はＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３に設定されている。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部のサイズは、３×３μｍ〜１０×１０μｍである。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記転送ゲートから最も離れたフォトダイオード部の一導電型領域の不純物濃度は、前記一導電型半導体基板の不純物濃度と同等である。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域を形成するために２種類以上の不純物イオンが用いられている。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるフォトダイオード部を構成する複数の一導電型領域のうち、前記転送ゲートに近い方の領域に砒素および燐が前記不純物イオンとして注入され、該転送ゲートに遠い方の領域に燐のみが該不純物イオンとして注入されている。
【００３９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記フォトダイオード部上に、該フォトダイオード部を埋め込むように形成されたＰ型高濃度表面層を更に有する。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一導電型ドレイン領域と前記フォトダイオード部との間に他導電型バリア層が形成され、該他導電型バリア層の上部に前記転送ゲートが形成されている。
【００４１】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４２】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００４３】
本発明の固体撮像素子においては、一導電型半導体基板上に形成された他導電型ウェル領域と、他導電型ウェル領域上に形成され、完全電荷転送用に不純物濃度が順次異なる複数の一導電型領域で構成されたフォトダイオード部と、フォトダイオード部からの信号電荷が読み出し可能とされる一導電型ドレイン領域と、一導電型ドレイン領域とフォトダイオード部との基板間上に形成された転送ゲートとを有している。
【００４４】
これによって、フォトダイオード部の不純物濃度が段階的に変化した複数の不純物領域により、転送ゲート側に近づくほど不純物濃度が段階的に順次高くなるように、転送ゲートに向けてポテンシャル傾斜が付いているので、入射光を光電変換して得た信号電荷を、ポテンシャルの深い方、即ち、フォトダイオードの転送ゲートの近傍位置までに、途中で滞留させることなく移動させることができて、特に、監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラのように、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを従来の微細な２×２μｍよりも３×３μｍ〜１０×１０μｍ程度にまでフォトダイオード面積を広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
以上により、本発明によれば、フォトダイオード部の不純物濃度が段階的に変化した複数の不純物領域により、転送ゲート側に近づくほど不純物濃度が段階的に順次高くなるように、転送ゲートに向けてポテンシャル傾斜が付いているため、フォトダイオード面積を広く取っても完全電荷転送をより容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）のフォトダイオード部を分解した場合の平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子のＡ−Ａ’線縦断面図である。
【図３】本実施形態１の固体撮像素子１における水平方向位置に対する不純物プロファイルを模式的に示す図である。
【図４】本実施形態１の固体撮像素子１の水平方向位置に対するポテンシャルを模式的に示す図である。
【図５】本実施形態１の固体撮像素子１の基板深さ方向位置に対する不純物プロファイルを模式的に示す図である。
【図６】本実施形態１の固体撮像素子１の基板深さ方向位置に対するポテンシャルを模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態２における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図である。
【図８】図７の固体撮像素子のＢ−Ｂ’線縦断面図である。
【図９】本発明の実施形態３における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図である。
【図１０】図９の固体撮像素子のＣ−Ｃ’線縦断面図である。
【図１１】本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３のいずれかの固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図１２】特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【図１３】特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１〜３および、この固体撮像素子の実施形態１〜３のいずれかを画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えば車載用後方監視カメラやテレビジョン電話用カメラなどの電子情報機器の実施形態４について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４８】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図であり、図２は、図１の固体撮像素子のＡ−Ａ’線縦断面図である。なお、図１（ｂ）および図１（ｃ）はそれぞれ、図１（ａ）のフォトダイオード部を分解した場合の平面図である。
【００４９】
図１（ａ）および図２において、本実施形態１の固体撮像素子１は、Ｎ型シリコン基板２上に形成されたＰ型ウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上方に形成され、後述する転送ゲート９側のフォトダイオード領域ほど不純物濃度が高い複数（ここでは３つ）のＮ型領域から構成されるフォトダイオード部４と、このフォトダイオード部４の上部に形成され、暗電流を抑えるための表面Ｐ＋層であるＰ型高濃度表面層５と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、フォトダイオード部４からの信号電荷を読み出すＮ型領域近傍位置に形成されたフローティングディフュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７（ＦＤ７）と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、当該Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部４との間に形成されたチャネル領域に制御可能なＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部にゲート絶縁膜（図示せず）を介して設けられた転送ゲート９とを有している。
【００５０】
フォトダイオード部４は、Ｎ型不純物濃度が高い電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１と、その電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１の外側（転送ゲート９側を除く）を覆うように配設されたＮ型不純物濃度が中のＮ−領域４２と、さらにそのＮ−領域４２の外側（転送ゲート９側を除く）を覆うように配設されたＮ型不純物濃度が低いＮ−−領域４３との順次不純物濃度が変化する３段階の不純物濃度領域で構成されている。このＮ型不純物濃度の大小関係はＮ−−＜Ｎ−＜Ｎである。
【００５１】
具体的には、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１のＮ型不純物濃度は例えばＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ−領域４２のＮ型不純物濃度は例えばＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、Ｎ−−領域４３のＮ型不純物濃度は例えばＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３程度に設定する。さらに詳細には、フォトダイオード部４において、不純物として砒素および燐がイオン注入された電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１と、その外側の燐がイオン注入されたＮ−領域４２と、シリコン基板２で新たなイオン注入のないＮ型不純物濃度（Ｎ−−）からなっている。
【００５２】
ここでは、まず、図１（ｃ）に示すように不純物として燐（Ｐ）をイオン注入してＮ−領域４２を形成し、次に、図１（ｂ）に示すように不純物として砒素（Ａｓ）をイオン注入して電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１を形成する。または、図１（ｂ）に示すように不純物として砒素（Ａｓ）をイオン注入して電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１を形成し、次に、図１（ｃ）に示すように不純物として燐（Ｐ）をイオン注入してＮ−領域４２を形成する。第３段目のＮ−−領域４３としては更なるイオン注入はせず、Ｎ型シリコン基板２のままである。
【００５３】
また逆に、まず、図１（ｃ）に示すように不純物として砒素（Ａｓ）をイオン注入してＮ−領域４２を形成し、次に、図１（ｂ）に示すように不純物として燐（Ｐ）をイオン注入して電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１を形成してもよく、または、図１（ｂ）に示すように不純物として燐（Ｐ）をイオン注入して電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１を形成し、次に、図１（ｃ）に示すように不純物として砒素（Ａｓ）をイオン注入してＮ−領域４２を形成してもよい。ところが、Ｎ型不純物の砒素（Ａｓ）はイオン注入後に燐（Ｐ）に比べて拡散しにくく、Ｎ型不純物の燐（Ｐ）は砒素（Ａｓ）に比べてイオン注入後に拡散し易いことから、信号電荷の蓄積容量を決定する最もポテンシャルが深い電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１に砒素（Ａｓ）によるイオン注入を行い、より広い領域に一様にイオン拡散させるためにＮ−領域４２に燐（Ｐ）によるイオン注入を行った方がより好ましい。
【００５４】
一方、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１と、Ｐ型バリア層８を介して対向したフローティングディシュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７のＮ＋不純物濃度は、高濃度の例えば１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３である。
【００５５】
さらに、フォトダイオード部４から転送ゲート９下のＰ型バリア層８を介した検出ノード７（ＦＤ７）に至る素子領域を単位画素領域として素子分離するべく囲んだ基板面側にはチャネルストップ領域であるＰ型素子分離領域１０および素子分離絶縁領域１１が形成されている。
【００５６】
図３は、本実施形態１の固体撮像素子１における水平方向位置（基板面方向位置）に対する不純物プロファイルを模式的に示す図である。
【００５７】
図３に示すように、フォトダイオード部４は転送ゲート９から距離が離れるにつれて不純物濃度が小さくなるように、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１からＮ−領域４２さらにＮ−−領域４３が段階的にそれぞれ配設されている。フォトダイオード４の一方端におけるＮ−−領域４３のＮ型不純物濃度はＮ型シリコン基板２の不純物濃度と同等である。これは、前述したように、不純物イオン注入をＰウェル領域３の領域位置に行ってＰウェル領域３が形成されているが、Ｎ−−領域４３の領域は不純物イオン注入が為されていないＮ型シリコン基板２の領域のままである。
【００５８】
図４は、本実施形態１の固体撮像素子１の水平方向位置に対するポテンシャルを模式的に示す図である。
【００５９】
Ｎ−−領域４３からＮ−領域４２さらに電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１のように、転送ゲート９に近づくほど不純物濃度が段階的に順次高くなっているので、図４に示すように転送ゲート９に向けて基板面方向にポテンシャル傾斜が付いている。このため、入射光を光電変換して得た信号電荷を、ポテンシャルの深い方、即ち、フォトダイオード４の転送ゲート９の近傍位置までに、途中で滞留させることなく移動させることができて、特に、監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラのように、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを６×６μｍ程度にフォトダイオード面積を広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことができる。
【００６０】
一方、従来では、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１だけで不純物濃度が変化しない場合には、２点鎖線に示すように図４の左側（転送ゲート９から離れる方向）に進むにしたがって、暫く平らでその後に、転送ゲート９下のポテンシャル曲線（転送ゲートオフ時）と同様に上側に変化する。この場合、フォトダイオード面積を広く取ったときには、ポテンシャルが平らな部分で信号電荷が残って完全電荷転送ができない。
【００６１】
図５は、本実施形態１の固体撮像素子１の基板深さ方向位置に対する不純物プロファイルを模式的に示す図であり、図６は、本実施形態１の固体撮像素子１の基板深さ方向位置に対するポテンシャルを模式的に示す図である。即ち、図６は、図５の不純物プロファイルに対するポテンシャルを示す図である。
【００６２】
図６に示すように、基板上側の電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１側であって、Ｐウエル領域３からＮ−−領域４３さらにＮ−領域４２、さらに電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１の基板深さ方向に向けてポテンシャルが順次深くなるように傾斜が付いている。これによっても、Ｐウエル領域３から広く信号電荷を集めることが可能となる。即ち、フォトダイオード４の転送ゲート９近傍位置までに、信号電荷が途中で滞留することなく、よりスムーズに移動させることができて、特に、監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラのように、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを６×６μｍ程度にフォトダイオード面積を広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態１の固体撮像素子１においてフォトダイオード部４は３段階の不純物濃度Ｎ、Ｎ−およびＮ−−で構成されており、転送ゲート９に近い側が不純物濃度が最も高い。Ｎ型不純物濃度の大小関係は、Ｎ−−＜Ｎ−＜Ｎ＜Ｎ＋となっている。一方、ポテンシャルは転送ゲート９に向かって深くなり、転送ゲート９の側壁近傍位置が最もポテンシャルが深いポイントとなる。より広い面積のフォトダイオード４で光電変換された信号電荷がこのポイントに水平方向（基板面方向）および垂直方向（基板深さ方向）から集まって完全電荷転送されることになる。
【００６４】
このように、ポテンシャルは転送ゲート９側に向かって深くなり、転送ゲート９の側壁近傍位置が、最もポテンシャルが深いポイントとなるため、高感度とワイドダイナミックレンジを実現するのに十分な飽和電子数を維持する広い面積のフォトダイオード４であっても、光電変換された信号電荷を、この転送ゲート９に近いポイントに途中で滞留することなくスムーズに集めて完全電荷転送を容易に行うことができる。
【００６５】
なお、本実施形態１では、固体撮像素子１は、Ｎ型半導体基板２上に形成されたＰ型ウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上に形成された３つのＮ型領域（電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１、Ｎ−領域４２およびＮ−−領域４３）で構成されたフォトダイオード部４と、このフォトダイオード部４のＮ型領域近傍位置に形成されたＮ型ドレイン領域７と、Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部４との間に形成されたＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部に設けられた転送ゲート９とを有しており、フォトダイオード部４を構成する３つのＮ型領域（電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１、Ｎ−領域４２およびＮ−−領域４３）は、転送ゲート９に最も近傍の第１一導電型領域としての電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１と、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１の転送ゲート９側を除く外側を覆う第２一導電型領域としてのＮ−領域４２と、Ｎ−領域４２の転送ゲート９側を除く外側を覆う第３一導電型領域としてのＮ−−領域４３の３段階の不純物濃度領域で構成され、転送ゲート９から離れたＮ型領域ほどＮ型不純物濃度を小さく設定している。このように、ここでは、フォトダイオード部４は３段階の不純物濃度領域で構成したが、フォトダイオード部４はｎ（ｎは２以上の自然数）段階の不純物濃度領域で構成してもよい。次の実施形態２ではフォトダイオード部４は２段階の不純物濃度領域で構成した場合について説明し、次の実施形態３ではフォトダイオード部４は４段階の不純物濃度領域で構成した場合について説明する。
【００６６】
フォトダイオード部４を構成するｎ個（ｎ段階）のＮ型領域は、転送ゲート９に最も近傍の第１一導電型領域と、この第１一導電型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第２一導電型領域、・・第（ｎ−１）一導電型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第ｎ一導電型領域のｎ段階の不純物濃度領域で構成されており、転送ゲート９から離れたＮ型領域ほどＮ型不純物濃度を小さく設定する。これによって、フォトダイオード部４の面積を従来の２×２μｍよりも広く取っても完全電荷転送をより容易に行うことができる本発明の目的を達成することができる。
【００６７】
また、本実施形態１では、第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域を基板面方向および基板深さ方向の両方向に覆っている場合について説明したが、これに限らず、第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域を基板面方向にのみ覆っていてもよく、また、第ｎ一導電型領域は、第（ｎ−１）一導電型領域を基板深さ方向にのみ覆っている場合であっても、フォトダイオード面積を広く取っても完全電荷転送を行うことができる本発明の目的を達成することができる。
【００６８】
（実施形態２）
上記実施形態１では、フォトダイオード部４は３段階の不純物濃度領域で構成したが、本実施形態２では、フォトダイオード部は２段階の不純物濃度領域で構成した場合について説明する。
【００６９】
図７は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図であり、図８は、図７の固体撮像素子のＢ−Ｂ’線縦断面図である。なお、図７および図８では、図１および図２の構成部材と同様の作用効果を奏する構成部材には同一の符号を付して説明する。
【００７０】
図７および図８において、本実施形態２の固体撮像素子１Ｂは、Ｎ型シリコン基板２上に形成されたＰウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上に形成され、後述する転送ゲート９側のフォトダイオード領域ほど不純物濃度が高い２つのＮ型領域から構成されたフォトダイオード部４Ｂと、このフォトダイオード部４Ｂの上部に形成され、暗電流を抑えるための表面Ｐ＋層であるＰ型高濃度表面層５と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、フォトダイオード部４Ｂからの信号電荷を読み出すＮ型領域近傍位置に形成されたフローティングディフュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７（ＦＤ７）と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、当該Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部４との間に形成されたチャネル領域に制御可能なＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部にゲート絶縁膜（図示せず）を介して設けられた信号電荷転送制御用の転送ゲート９とを有している。
【００７１】
フォトダイオード部４Ｂは、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂと、その電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂの外側を覆うように配設されたＮ−領域４２Ｂとの２段階の不純物濃度領域で構成されている。そのＮ型不純物濃度の大小関係がＮ−＜Ｎである。具体的には、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１ＢのＮ型不純物濃度は例えばＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ−領域４２ＢのＮ型不純物濃度は例えばＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３程度である。さらに詳細には、フォトダイオード部４Ｂにおいて、不純物として砒素および燐がイオン注入された電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂと、その外側の領域であって不純物として燐がイオン注入されたＮ−領域４２Ｂとからなっている。
【００７２】
一方、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂと、Ｐ型バリア層８を介して対向したフローティングディシュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７のＮ＋不純物濃度は、上記実施形態１の場合と同様に、高濃度の例えば１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３である。
【００７３】
以上のように、本実施形態２の固体撮像素子１Ｂにおいてフォトダイオード４Ｂは２段階の不純物濃度で構成されており、転送ゲート９に近い側が不純物濃度が高い。Ｎ型不純物濃度の大小関係は、Ｎ−＜Ｎ＜Ｎ＋となっている。一方、ポテンシャルは転送ゲート９に向かって深くなり、転送ゲート９の側壁近傍位置が最もポテンシャルが深いポイントとなる。より広い面積のフォトダイオード部４Ｂで光電変換された信号電荷がこのポイントに水平方向（基板面方向）および垂直方向（基板深さ方向）から集まって、より容易に完全電荷転送されることになる。
【００７４】
このように、ポテンシャルは転送ゲート９に向かって深くなり転送ゲート９の側壁近傍が最もポテンシャルが深いポイントとなるため、高感度とワイドダイナミックレンジを実現するのに十分な飽和電子数を維持する広い面積のフォトダイオード４であっても、光電変換された信号電荷を、この転送ゲート９に近いポイントに途中で滞留することなくスムーズに集めて完全電荷転送を容易に行うことができる。
【００７５】
なお、本実施形態２では、フォトダイオード部４Ｂを第１一導電型領域の電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂおよび第２一導電型領域のＮ−領域４２Ｂで構成し、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂの不純物濃度ＮをＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ−領域４２Ｂの不純物濃度Ｎ−をＮ−＝１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３程度に設定した場合について絶命したが、これに限らず、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｂの不純物濃度ＮをＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ−領域４２Ｂの代わりにＮ−−領域４２Ｂ’の不純物濃度Ｎ−−をＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３程度に設定してもよい。この場合は、転送ゲート９から最も離れたフォトダイオード部４ＢのＮ−−領域４２Ｂ’の不純物濃度は、Ｎ型半導体基板２の不純物濃度と同等であってもよい。
【００７６】
（実施形態３）
上記実施形態１では、フォトダイオード部４は３段階の不純物濃度領域で構成したが、本実施形態３では、フォトダイオード部は４段階の不純物濃度領域で構成した場合について説明する。
【００７７】
図９は、本発明の実施形態３における固体撮像素子の単位フォトダイオード構成例を模式的に示す平面図であり、図１０は、図９の固体撮像素子のＣ−Ｃ’線縦断面図である。なお、図９および図１０では、図１および図２の構成部材と同様の作用効果を奏する構成部材には同一の符号を付して説明する。
【００７８】
図９および図１０において、本実施形態３の固体撮像素子１Ｃは、Ｎ型シリコン基板２上に形成されたＰウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上に形成され、後述する転送ゲート９側のフォトダイオード領域ほど不純物濃度が高い４つのＮ型領域から構成されたフォトダイオード部４Ｃと、このフォトダイオード部４Ｃの上部に形成され、暗電流を抑えるための表面Ｐ＋層であるＰ型高濃度表面層５と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、フォトダイオード部４Ｃからの信号電荷を読み出すＮ型領域近傍位置に形成されたフローティングディフュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７（ＦＤ７）と、このＰ型ウェル領域３上に形成されたＰ型ウェル領域６内に形成され、当該Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部４との間に形成されたチャネル領域に制御可能なＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部にゲート絶縁膜を介して設けられた転送ゲート９とを有している。
【００７９】
フォトダイオード部４Ｃは、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｃと、その電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｃの外側を覆うように配設されたＮ１−領域４２１Ｃおよびこれよりも不純物濃度が低いＮ２−領域４２２Ｃと、さらにそのＮ２−領域４２２Ｃの外側を覆うように配設されたＮ−−領域４３との４段階の不純物濃度領域で構成されている。そのＮ型不純物濃度の大小関係がＮ−−＜Ｎ２−＜Ｎ１−＜Ｎである。具体的には、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１ＣのＮ型不純物濃度は例えばＮ＝５×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ１−領域４２１ＣのＮ型不純物濃度は例えばＮ−＝５×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３、Ｎ２−領域４２２ＣのＮ型不純物濃度は例えばＮ−＝５×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−３、Ｎ−−領域４３のＮ型不純物濃度は例えばＮ−−＝１×１０１４ｃｍ−３程度である。さらに詳細には、フォトダイオード部４において、不純物として砒素および燐がイオン注入された電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｃと、その外側の領域であって、燐がイオン注入されたＮ１−領域４２１ＣおよびＮ２−領域４２２Ｃと、シリコン基板２のＮ型不純物濃度（Ｎ−−）からなっている。
【００８０】
一方、電荷転送ゲート近傍Ｎ領域４１Ｃと、Ｐ型バリア層８を介して対向したフローティングディシュージョンＦＤであるＮ型ドレイン領域７のＮ＋不純物濃度は、高濃度の例えば１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３である。
【００８１】
以上のように、本実施形態３の固体撮像素子１Ｃにおいて、フォトダイオード部４Ｃは４段階の不純物濃度で構成されており、転送ゲート９に近いほど不純物濃度が高く構成されている。フォトダイオード部４ＣのＮ型不純物濃度の大小関係は、Ｎ−−＜Ｎ２−＜Ｎ１−＜Ｎ＜Ｎ＋（ＦＤ）となっている。一方、ポテンシャルは転送ゲート９に向かって深くなり、転送ゲート９の側壁近傍位置が最もポテンシャルが深いポイントとなる。より広い面積のフォトダイオード部４Ｃで光電変換された信号電荷がこのポイントに水平方向（基板面方向）および垂直方向（基板深さ方向）から集まってより容易に完全電荷転送されることになる。
【００８２】
このように、ポテンシャルは転送ゲート９側に向かって深くなり転送ゲート９の側壁近傍位置が最もポテンシャルが深いポイントとなるため、高感度とワイドダイナミックレンジを実現するのに十分な飽和電子数を維持する広い面積のフォトダイオード部４Ｃであっても、光電変換された信号電荷を、この転送ゲート９に近いポイントにスムーズに集めて完全電荷転送を容易に行うことができる。
【００８３】
（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３のいずれかの固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【００８４】
図１１において、本実施形態４の電子情報機器９０は、上記実施形態１〜３のいずれかの固体撮像素子１、１Ｂまたは１Ｃからの撮像信号を所定の信号処理を行ってカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力手段９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示手段９３と、通信手段９４と、プリンタなどの画像出力手段９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【００８５】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【００８６】
したがって、本実施形態４によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力手段９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【００８７】
なお、上記実施形態１〜３では、特に詳細に説明しなかったが、本発明の固体撮像素子は、一導電型半導体基板上に形成された他導電型ウェル領域と、他導電型ウェル領域上に形成され、完全電荷転送用に不純物濃度が順次異なる複数の一導電型領域で構成されたフォトダイオード部と、フォトダイオード部からの信号電荷が読み出し可能とされる一導電型ドレイン領域と、一導電型ドレイン領域とフォトダイオード部との基板間上に形成された転送ゲートとを有している。これによって、フォトダイオード面積を広く取っても完全電荷転送をより容易に行うことができる本発明の目的を達成することができる。
【００８８】
なお、上記実施形態１〜３では、フォトダイオード部４を、完全電荷転送用に不純物濃度が順次変化した２〜４段階の不純物濃度領域で構成したが、これに限らず、フォトダイオード部４を、完全電荷転送用に不純物濃度が順次変化した５段階以上の複数の不純物濃度領域で構成してもよい。ここでは、フォトダイオード部４の転送ゲート９近傍位置までに、信号電荷が途中で滞留することなく、よりスムーズに移動させることができるようにするために、２〜４段階の不純物濃度領域で構成しており、監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラのように、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを６×６μｍ程度にフォトダイオード面積を広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことができるようにしている。フォトダイオード面積が、従来の２×２μｍ以上の３×３μｍ〜１０×１０μｍと広くなればなるほど、フォトダイオード４部を５段階以上の複数の不純物濃度領域で構成する必要が生じる場合も有り得る。
【００８９】
したがって、フォトダイオード面積（画素サイズ）は、従来の画素サイズ２×２μｍ以上の３×３μｍ〜１０×１０μｍ程度にまで広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことができる。
【００９０】
また、本実施形態１〜３では、Ｎ型半導体基板２上に形成されたＰ型ウェル領域３と、このＰ型ウェル領域３上に形成された複数（ｎ個）のＮ型領域で構成したフォトダイオード部と、このフォトダイオード部のＮ型領域近傍位置に形成されたＮ型ドレイン領域７と、Ｎ型ドレイン領域７とフォトダイオード部との間に形成されたＰ型バリア層８と、このＰ型バリア層８の上部に設けられた転送ゲート９とを有し、フォトダイオード部を構成する複数（ｎ個）のＮ型領域は、転送ゲート９に最も近傍の第１Ｎ型領域と、第１Ｎ型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第２Ｎ型領域と、・・第（ｎ−１）Ｎ型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第ｎＮ型領域のｎ段階の不純物濃度領域で構成されており、転送ゲート９から離れたＮ型領域ほどＮ型不純物濃度を小さく設定するように構成したが、これに限らず、導電型を逆導電型にしてもよい。
【００９１】
即ち、Ｐ型半導体基板上に形成されたＮ型ウェル領域と、このＮ型ウェル領域上に形成された複数（ｎ個）のＰ型領域で構成したフォトダイオード部と、このフォトダイオード部のＰ型領域近傍位置に形成されたＰ型ドレイン領域と、Ｐ型ドレイン領域とフォトダイオード部との間に形成されたＮ型バリア層と、このＮ型バリア層の上部に設けられた転送ゲート９とを有し、フォトダイオード部を構成する複数（ｎ個）のＰ型領域は、転送ゲート９に最も近傍の第１Ｐ型領域と、第１Ｐ型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第２Ｐ型領域と、・・第（ｎ−１）Ｐ型領域の転送ゲート９側を除く外側を覆う第ｎＰ型領域のｎ段階の不純物濃度領域で構成されており、転送ゲート９から離れたＰ型領域ほどＰ型不純物濃度を小さく設定する必要がある。
【００９２】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜４に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜４の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成されたＭＯＳ型固体撮像素子などの固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、フォトダイオード部の不純物濃度が段階的に変化した複数段階の不純物領域により、転送ゲート側に近づくほど不純物濃度が段階的に順次高くなるように、転送ゲートに向けてポテンシャル傾斜が付いているので、入射光を光電変換して得た信号電荷を、ポテンシャルの深い方、即ち、フォトダイオードの転送ゲートの近傍位置までに、途中で滞留させることなく移動させることができて、特に、監視カメラやテレビジョン電話用カメラに用いるＩＰカメラのように、動画が主体で、感度とワイドダイナミックレンジを実現する必要から、画素サイズを６×６μｍ程度以上にまでフォトダイオード面積を広く取っても、完全電荷転送をより容易に行うことができる。
【符号の説明】
【００９４】
１、１Ｂ、１Ｃ  固体撮像素子
２  Ｎ型シリコン基板
３  Ｐウェル領域
４、４Ｂ、４Ｃ  フォトダイオード部（ＰＤ）
４１、４１Ｂ、４１Ｃ  電荷転送ゲート近傍Ｎ領域
４２  Ｎ−領域
４２１  Ｎ１−領域
４２２  Ｎ２−領域
４３  Ｎ−−領域
５  Ｐ型高濃度表面層
６  Ｐ型ウェル領域
７  Ｎ型ドレイン領域（ＦＤ）
８  Ｐ型バリア層
９  転送ゲート
１０  Ｐ型素子分離領域
１１  素子分離絶縁領域
Ｎ−−  電荷転送ゲート近傍Ｎ領域の不純物濃度
Ｎ−  Ｎ−領域の不純物濃度
Ｎ１−  Ｎ１−領域の不純物濃度
Ｎ２−  Ｎ２−領域の不純物濃度
Ｎ  Ｎ−−領域の不純物濃度
Ｎ＋  Ｎ型ドレイン領域（ＦＤ）の不純物濃度
９０  電子情報機器
９１  固体撮像装置
９２  メモリ部
９３  表示手段
９４  通信手段
９５  画像出力手段
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１】
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【図７】
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【図９】
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